Современное развитие человечества невозможно представить без дальнейшего освоения космического пространства и развития космонавтики. Важнейшим элементом этого процесса являются носители, с помощью которых космонавты и другая полезная нагрузка доставляется на околоземную орбиту. О создании многоразовой системы «Энергия» – «Буран» и нынешних проблемах в этой области рассказывает Юрий Григорьев, профессор МФТИ, доктор технических наук, лауреат Государственной премии СССР, академик Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, Российской и Европейской академий естественных наук.
Все, что, как нам кажется, находится над нами, мы обычно делим на три части.
1. Околоземное пространство – это газовое пространство, атмосферный слой над Землей, вращающийся вместе с Землей.
Та часть атмосферного слоя, которая находится над конкретным государством, находится под юрисдикцией этого государства, и проникновение в него любых иностранных объектов (самолетов, планеров, аэростатов и т.д.) рассматривается как нарушение государственной границы со всеми вытекающими из этого последствиями.
Атмосферный слой давно и эффективно используется для перевозки людей и различных грузов, для чего создано множество типов самолетов и других летательных аппаратов.
2. Ближний космос - это область вокруг Земли, находящаяся над околоземным пространством. Решением ООН граница между околоземным пространством и ближним космосом определена на высоте около 100 км над уровнем моря.
Атмосферы здесь практически уже нет, но физические характеристики ближнего космоса находятся под влиянием Земли, прежде всего её гравитационного поля. Это влияние уменьшается по мере удаления от Земли и окончательно исчезает только на расстоянии более 900 тыс. км от Земли.
Ближний космос это всеобщее достояние, он в равной мере принадлежит всем государствам и гражданам всего мира, это зона полетов различных космических аппаратов. Для того, чтобы космический аппарат стал искусственным спутником Земли, его нужно разогнать до первой космической скорости - 7,9 км/с, а что бы спустить с космической орбиты - затормозить до скорости, ниже указанной величины.
Отработавшие и уже не нужные космические аппараты после торможения падают на Землю, сгорая в атмосфере, а не догоревшие остатки тонут в океане.
Космические аппараты, которые должны не только летать в космосе, но и возвращаться на Землю, например, с космонавтами или ценной аппаратурой, оснащаются специальной теплозащитой, органами управления, системой спасения, например, парашютами и т.д., что позволяет им спускаться на Землю в полной сохранности.
3. Дальний космос - это мир звезд и галактик, где влияние Земли уже не ощущается. Чтобы отправить космический аппарат в дальний космос, его нужно разогнать до второй космической скорости – 11,2 км/сек, после чего аппарат становится спутником Солнца. А чтобы покинуть Солнечную систему, аппарату нужно разогнаться до третьей космической скорости - 16,6 км/с.
Космические аппараты, предназначенные для работы в дальнем космосе, улетают туда безвозвратно. Их полет может продолжаться годами, и в течение всего это времени они передают на Землю информацию, полученную их аппаратурой во время полета.
Доставка космических аппаратов в ближний и дальний космос до настоящего времени осуществляется только баллистическими ракетами-носителями. Пока ничего другого не придумали – проекты создания космических лифтов еще не вышли из стадии фантастики.
Ракетно-космические комплексы России. Источник: energia.ru |
Зададим себе простой вопрос: почему для вывода в космос, и прежде всего, в ближний космос, применяются одноразовые ракеты? Почему у нас нет ракет-носителей, которые после выполнения своей функции – вывода в космос космических аппаратов, спускались бы на землю и могли быть использованы еще и еще не один раз?
Ответ очень прост. Да потому, что наши ракеты–носители созданы на базе одноразовых боевых межконтинентальных баллистических ракет (МБР). Одноразовость для боевых ракет это совершенно естественное свойство, а для ракет-носителей это ненормальное и дорогое удовольствие. Слетал один раз, и все, над чем трудились долгое время, все на помойку.
Ракеты носители ОКБ-1 - ЦСКБ - Прогресс, разработанные на базе Р-7. Источник: spaceavia.ru |
Ракета-носитель «Союз» и все её модификации (полезная нагрузка до 8 т), на которых летают в космос наши, а теперь и иностранные космонавты и доставляются грузы на орбитальную станцию, разработаны на базе первой в мире МБР Р-7, созданной в 1957 году (главный конструктор С.П. Королев).
Ракеты-носители типа «Союз» выпускается и в настоящее время. Они экологически безопасны, поскольку их двигатели работают на керосине (горючее) и жидком кислороде (окислитель).
Ракета-носитель «Протон» (полезная нагрузка до 23 т), на которой выводятся в космос блоки орбитальных станций и тяжелые космические аппараты, вначале была разработана как МБР УР-500К, созданная в 1965 году (главный конструктор В.Н. Челомей), а когда необходимость в ней отпала, была переоборудована в столь популярную теперь ракету–носитель «Протон», которая изготавливается в различных вариантах до настоящего времени.
Двигатели этой ракеты работают на экологически вредных и опасных для человека компонентах топлива: горючее – несимметричный диметилгидразин (гептил), окислитель – азотный тетраксид (амил). Для боевой ракеты это нормально, а для постоянно используемой ракеты-носителя просто недопустимо. Но у нас пока нет другого решения.
Ракеты-носители «Рокот» и «Стрела» это переоборудованные снимаемые с боевого дежурства МБР УР-100Н УТТХ (генеральный конструктор В.Н. Челомей, с 1984 года Г.А. Ефремов). Производство этих ракет давно прекращено, так что после их израсходования, ракеты-носители «Рокот» и «Стрела» исчезнут.
Такая же судьба ждет и ракету-носитель «Днепр», это доработанная снимаемая с боевого дежурства МБР Р-36М УТТХ (генеральный конструктор В.Ф. Уткин). Компоненты топлива у всех этих ракет это те же гептил и амил.
Первыми решили создать многоразовый космический самолет американцы. И создали известный «Спейс Шаттл», представляющий собой пилотируемый самолет, грузоподъемностью 20-30 т, оснащенный мощными жидкостными двигателями, для которых основной запас топлива размещается в подвесных баках, сбрасываемых после израсходования топлива. Кроме того, установлены еще два сбрасываемых твердотопливных ускорителя.
Уникальная ракетная система «Энергия» - «Буран». Источник: moole.ru |
Наши конструкторы не пошли по пути копирования американского «Шаттла». Было решено создать универсальную конструкцию, способную не только доставлять на орбиту 30 т и спускать с нее 20 т груза, как у американцев, а кроме того уметь доставлять на орбиту грузы до 100 т.
Была создана уникальная ракетная система «Энергия» - «Буран» (генеральный конструктор В.П. Глушко). Поскольку проектные организации ракетно-космического министерства, которое тогда называлось Министерством общего машиностроения, не имели опыта разработки самолетных систем, то в структуре Министерства авиационной промышленности было создано НПО «Молния» (главный конструктор Г.Е. Лозино-Лозинский), которое с 1976 года стало головным разработчиком космического корабля «Буран» и провело большой цикл теоретических и экспериментальных исследований для создания этого уникального космического самолета.
При создании космической системы «Энергия» - «Буран» было разработано 85 новых материалов, которые по своим свойствам существенно выше традиционных, спроектированы 20 уникальных систем автоматики и управления, зарегистрировано 400 изобретений, получено 20 патентов и 100 лицензий.
Первый полет ракеты-носителя «Энергия» осуществился 15 мая 1987 года. В качестве экспериментальной нагрузки на ракету был установлен 75 тонный космический аппарат - прототип орбитальной лазерной платформы.
Ракета сработала нормально, но космический аппарат не был выведен на расчетную орбиту из-за сбоя системы ориентации самого космического аппарата.
Второй полет ракеты-носителя «Энергия» был осуществлен 15 ноября 1988 года. На ракете был установлен космический самолет «Буран» (без пилотов). Это был блестящий полет. Выведенный на орбиту «Буран» два раза обогнул Землю, потом спустился с орбиты, развернулся над космодромом Байконур и в автоматическом режиме приземлился с высокой точностью. Отклонение от центра взлетной полосы не превышало одного метра.
Автору в тот торжественный момент довелось быть в Центре управления полетами (ЦУП) в городе Королеве. Всеобщее ликование было и в Центре управления, и на космодроме Байконур, откуда велась прямая телевизионная трансляция всего происходящего непосредственно в ЦУП, включая полет «Бурана» и встретивших и сопровождавших его истребителей.
К сожалению, всего этого не смог увидеть генеральный конструктор В.П.Глушко – он тяжело болел и находился в больнице. Его коллеги поехали в больницу и все доложили ему, но через два месяца Валентин Петрович скончался.
Третья ракета «Энергия» была готова к полету в начале 1989 года, однако этот полет с тяжелой нагрузкой был перенесен сначала на 1990 год, а потом на 1993-1995 годы.
Четвертая ракета с «Бураном» готовилась на Байконуре к пуску, при этом «Буран» должен был совершить в автоматическом режиме полет по более сложной программе, со стыковкой с орбитальной станцией «Мир». Пилотируемый полет намечался на 1992 год.
Ракета-носитель «Энергия-М» для выведения космических аппаратов массой до 35 т. Источник: paper.shtoikak.ru |
Кроме того на базе ракеты-носителя «Энергия» разрабатывалась ракета-носитель «Энергия-М» для выведения космических аппаратов массой до 35 т на низкие, средние, высокие круговые и эллиптические орбиты и до 6,5 т на геостационарную орбиту, а также для выведения космических аппаратов на траектории полета к Луне и планетам Солнечной системы.
Эта ракета предназначалась для замены экологически опасной ракеты-носителя «Протон», что позволило бы исключить необходимость отчуждения больших участков земли в районах падения первой ступени ракеты с остатками высокотоксичных компонентов топлива и обеспечить безопасность при эксплуатации.
Ракета-носитель «Энергия II» («Ураган») проектировалась, как полностью многоразовая конструкция. Источник: buran.ru |
Разрабатывалась также ракета-носитель «Энергия II» («Ураган»), которая проектировалась, как полностью многоразовая конструкция. На Землю для повторного использования возвращались все элементы системы, а центральный блок «Урагана» должен был входить в атмосферу, планировать и садиться на обычный аэродром в беспилотном режиме.
Нетрудно понять, что если с помощью «Протона», чтобы создать в космосе 100-тонную космическую станцию, необходимо израсходовать пять ракет, каждая из которых доставит на орбиту один 20 тонный блок (модуль), а эти модули еще нужно состыковывать в космосе, то при использовании ракеты «Энергия» можно было бы разработать оптимальную 100-тонную космическую станцию, провести все необходимые проверки на земле и вывести её на орбиту одной ракетой.
Однако в начале 1990 года работы по программе «Энергия-Буран» были приостановлены, а в 1993 году вся эта программа была закрыта полностью. На космодроме Байконур в различной стадии готовности находились несколько ракет-носителей «Энергия».
Две из них стали собственностью Казахстана, но были разрушены 12 мая 2002 года при обрушении крыши монтажно-испытательного корпуса на площадке 112.
Три находились на различных стадиях изготовления в НПО «Энергия», но после закрытия работ этот задел был уничтожен, изготовленные корпуса ракет либо разрезаны, либо выброшены, а несколько «Буранов» еще долго показывали на всяких выставках и у нас, и за рубежом.
Американцы ликовали – теперь их превосходство в освоении космоса не могло быть подвергнуто никакому сомнению. Правда, развернуть у себя производство жидкостных двигателей от ракеты «Энергия» они, даже при наличии документации, так и не смогли и до сих пор покупают модификации этих двигателей у нас и на них летают в космос.
С использованием блоков и фрагментов ракеты «Буран» была создана ракета-носитель «Зенит» с полезной нагрузкой 12-14 т (генеральный конструктор В.Ф. Уткин). Она сразу создавалась как ракета-носитель.
Для нее впервые в мире был разработан уникальный автоматизированный, так называемый «безлюдный» стартовый комплекс (генеральный конструктор В.Н. Соловьев).
Когда наблюдаешь за предстартовой подготовкой наших ракет типа «Союз», то видишь различного рода фермы, площадки, на которых работают сотрудники стартовой команды.
Старт «Зенита» это уникальное зрелище. Вначале нет ничего, потом подъезжает железнодорожный состав с ракетой, которая устанавливается вертикально на пусковой стол, при этом все магистрали состыковываются автоматически.
Людей на стартовой площадке нет, управление и контроль за операциями осуществляются дистанционно с командного пункта. Также дистанционно подаются команды на заправку ракеты, проверку всех систем и, наконец, старт.
Конечно, воссоздать ракетно-космическую систему «Энергия» - «Буран» мы уже не способны, но и оставаться дальше только с «Союзом» и «Протоном» невозможно, особенно в свете создания космодрома Восточный. Пуски «Протона», отработавшие ступени которого с остатками топлива будут падать в море, вряд ли понравятся нашим азиатским соседям.
Не говоря уже об аварийных случаях, полностью исключить которые невозможно, особенно в свете нынешнего снижения квалификации наших специалистов.
Давно уже разрабатывается семейство ракет-носителей «Ангара», летные испытания одной из этих ракет согласно указу тогдашнего Президента Ельцина должны были начаться в 1995 году, но до сих пор так и не начались.
Но с момента начала этих испытаний, которые все же, видимо, начнутся, до момента подтверждения натурными пусками высочайшего уровня надежности ракеты-носителя, позволяющего приступить к запуску космонавтов, пройдут многие годы.
Ориентироваться же и далее на ракету-носитель «Союз» и строить под неё на космодроме Восточный древнейший стартовый комплекс («Гагаринский старт») очень уж как-то несовременно.
Конечно, оптимальным решением было бы размещение на космодроме Восточный ракеты-носителя «Зенит» с её автоматизированным стартом, но эта ракета разрабатывалась и изготавливалась в Днепропетровске, т.е. теперь уже за границей, хотя сам стартовый комплекс создан в Москве.
Нам пора создавать новую многоразовую ракету-носитель, у которой многоразовой была бы для начала только первая ступень, которая после разделения представляет собой два опустевших, а потому не очень тяжелых топливных бака и двигатель.
Варианты исполнения многоразового ускорителя "Байкал" на РКС "Ангара". Источник: www.arms-expo.ru |
Необходимо превратить первую ступень в летательный аппарат, для чего нужно смонтировать на ней крылья, органы управления и установить систему управления по типу той, которая блестяще управляла в автоматическом режиме «Бураном».
Разумеется, проектантам ракетчикам одним с этим не справиться, а потому необходимо привлечь авиастроителей, которые и помогут превратить первую ступень ракеты-носителя пусть в не очень красивый, но способный спуститься с небес на землю летательный аппарат.
Разумеется, маршевый двигатель для такой первой ступени должен создаваться в расчете не на один пуск, как для боевой ракеты, а на многократное применение. Эта проблема была у нас решена десятки лет назад, когда главным конструктором Н.Д. Кузнецовым были созданы двигатели НК-33 и НК-43 для ракеты-носителя Н-1 («Лунная программа»).
После закрытия этой программы готовые двигатели долгие годы хранились в полной сохранности, а в новой России им быстро нашли применение: продали десятки таких двигателей американской фирме «Аэроджет» вместе с документацией и лицензией на их производство.
Создание ракеты-носителя с многоразовой первой ступенью открыло бы перед Россией новые горизонты в космонавтике. Разработка многоразовой второй ступени это последующий этап развития, в котором уже использовался бы полученный опыт, и реализовывались бы новые идеи.
Юрий Григорьев
